大藤峡水利枢纽工程南木江生态鱼道规划浅析.pdf

第 卷第 期红水河 年 月 水利水电大藤峡水利枢纽工程南木江生态鱼道规划浅析陈立宁，李郁新（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 桂平）摘 要：为解决水利工程建设后阻隔鱼类洄游、阻断保护区与坝下两个鱼类种群的基因交流及种群间遗传交流受阻的问题，笔者以大藤峡水利枢纽工程南木江副坝为例，结合南木江副坝的布置、地形条件和过鱼特性研究了过鱼设施方案，确定采用“仿生态鱼道工程鱼道”相结合的生态鱼道，详细介绍生态鱼道布置、鱼道流速、工程鱼道体型、仿生态鱼道体型和鱼道辅助设施等规划设计情况。该鱼道设计符合水库运行特性，满足鱼类洄游和过鱼要求，同时满足生态流量下泄要求，可为类似过鱼设施的研究提供一定的借鉴。关键词：过鱼设施；仿生态鱼道；工程鱼道；大藤峡水利枢纽工程中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：南木江生态鱼道规划研究背景 研究背景与意义 世纪以来，随着工业对电力需求的日益增长，以及流域防洪规划的实施，我国的大小江河逐步筑起了形式各样的大坝，对我国重要城镇的防洪安全和清洁能源供应起到了重要作用；但是大坝建成后，阻隔了下游鱼类的洄游。仔幼鱼无法顺利过坝，到保护区育肥、成熟，繁殖与发育条件部分分离，苗种补充减少；大坝阻断了保护区与坝下两个鱼类种群的基因交流，种群间遗传交流受阻。具有洄游遗传特性的鱼类无法从下游游至上游产卵场进行产卵繁殖，在上游孵化的幼鱼也难以下坝，对下游鱼类资源的补充减少。鱼类的遗传特性也决定了其寻找洄游路径的自主性，当其洄游路径被水工建筑物阻拦时，部分鱼类会寻找其他的洄游通道，因此有了过鱼设施。过鱼设施能够在一定程度上解决鱼类洄游受阻的问题，收稿日期：；修回日期：第一作者简介：陈立宁（），男，广东肇庆人，工程师，学士，主要从事水利水电工程建设管理。：。第 期陈立宁，李郁新：大藤峡水利枢纽工程南木江生态鱼道规划浅析使其能够回到产卵场正常繁衍。近年来，随着人们对河流生态保护意识的不断增强，过鱼设施的建设与研究开始兴起。国内外研究现状鱼道最早出现在法国，年，法国西南部的贝阿尔省颁布规定，要求在堰、坝上建造鱼上下通行的通道。我国对鱼道的研究与建设起步较晚，大约开始于 世纪 年代。目前，常用的过鱼设施有工程鱼道、仿生态鱼道、鱼闸、升鱼机、集鱼船等。工程鱼道是各类水利工程常用的一种过鱼设施，我国修建的过鱼设施中也数工程鱼道应用最多，例如新安江水电站鱼道、西藏 水电站鱼道等。工程鱼道通常采用隔板和蜿蜒的渠道以控制达到合适的水流速度，创造适合于鱼类洄游的流态。其运行成本较低，但对于不同洄游特性的鱼类而言单一鱼道的适应性较差，且建设成本较高。仿生态鱼道是一种模拟自然河流形态和结构而建造的鱼道形式，通过水流的摩阻达到消能缓流的目的。德国人在 世纪 年代首次提出修建仿生态鱼道，尽可能地模拟天然河流的水流态，例如多瑙河某河段（德国境内）即采用该方式。仿生态鱼道适用于不同种类的鱼，且过鱼效果较好，但鱼道建设所需场地较长，常应用在水头较低的水利工程或河道改造上。鱼闸的原理类似于船闸，进入闸室的鱼随着闸室内水位的升降，即可如船只一样过坝，例如潮州供水枢纽工程，就是把船闸兼作鱼闸进行了改造。鱼闸适用于中、高水头的大坝，其优点在于占地少，鱼类寻找到通道后不必自行洄游即可过坝；但建设难度高（需要完整的船闸系统），较多的机械操作也导致产生较高的运行费用。升鱼机的原理类似于升船机，是利用机械设备将从下游诱集的鱼类提升过坝的过鱼设施。升鱼机适用于用地范围较小、坝高较高的水工建筑物，例如新建的丰满大坝的过鱼设施，即采用升鱼机工程鱼道形式。升鱼机具有投资省、占地少、灵活性好、便于在水利枢纽中布置的特点；但其不能连续过鱼，且提运时间长，不利于大批鱼类过坝，复杂的机械设施结构也提升了故障率，同时运行管理费用偏高。集运鱼系统主要包括集鱼设施和运输设施，例如乌东德水电站的过鱼设施，即采用集运鱼系统。集运鱼系统相对独立，不需要与主体水工建筑物相结合即可建设，并适合已建的枢纽补建过鱼设施，但同样不能连续过鱼，且需要专业技术队伍运行管理等，受诱鱼效果的制约较大。南木江副坝过鱼设施方案研究 南木江副坝地理位置大藤峡水利枢纽工程坐落在广西桂平市，坝址距离桂平市区约 ，位于珠江流域西江水系的黔江河段，地理坐标为东经，北纬。坝址以上控制流域面积为 万，约占西江水系流域总面积的。大藤峡水利枢纽工程库区位于桂中、桂东北地区，地跨桂平、武宣、来宾、象州、柳江和鹿寨等县市，红水河、柳江和黔江三大干流流经库区。南木江位于桂平市以西 ，黔江左岸，是黔江的天然分洪河道，连通黔江和浔江。其上游黔江汇口位于大藤峡坝上 处，下游浔江汇口位于大藤峡坝下 处，从黔江汇口到汇入紫荆河河段全长 ，到浔江汇口全长 ，河床底高程在 ，多年平均流量为 。为了大藤峡水库正常蓄水，在南木江位置布置了一座南木江副坝，坝体主要结构形式为黏土心墙石渣坝，考虑到生态灌溉取水需求，左岸为混凝土重力坝，布置有生态灌溉取水口。副坝坝址位置见图。图 南木江副坝坝址卫星图 工程建设对鱼类资源的影响大藤峡水利枢纽工程上游已建成龙滩水电站、岩滩水电站、大化水电站、百龙滩水电站、乐滩水电站等，支流柳江已建成红花水电站，下游已建成长洲水利枢纽；红水河、黔江、浔江等西江流域大大小小的支流，绝大多数已建有数量不等的电站。这些电站的建设阻隔了流域上游与中下游干流以及干流与支流间鱼类的交流，阻断了鱼类的洄游通道。大坝的阻隔影响主要是阻断分布在大坝上、下游鱼类种群的基因交流。根据调查：大藤峡水利枢纽坝址以上江段分布的鱼类有 种，坝址以下江段分布的鱼类有 种；坝上、坝下相同的鱼类有红水河第 卷 种，为鳗鲡、花鳗鲡、宽鳍鱲、马口鱼、青鱼、草鱼、鲢、鳙、赤眼鳟、鳡、银鲴、鲮、卷口鱼、鲇、长臀鮠、斑鳠、大鳍鳠、黄颡鱼、瓦氏黄颡鱼、粗唇鮠、大眼鳜、鳊、麦穗鱼、鲫、鲤、东方墨头鱼等。大藤峡水利枢纽建成后，下游鱼类的洄游受阻，尤其是花鳗鲡、鳗鲡等洄游习性较强的鱼类，这些鱼类在上游的数量将会大幅减少，整个种群的分布范围也会缩减至坝下。对于青鱼、草鱼、鲢、鳙等鱼类而言，产下的卵需要在一定的水流速度下顺水漂流、孵化，而漂流性的鱼卵顺利孵化，需要有一定的流程，由于水库的建设，上游水流速度会大幅降低，部分鱼卵由于流速不够会沉入水底导致未能孵化，从而降低成活率。对多数鱼类而言，在大坝上、下游还存在完成生活史的条件，形成相对独立的种群，但种群间遗传交流受阻，对遗传多样性有一定的影响。南木江副坝过鱼特性从过鱼设施的设计思路来看，凡是受到水利工程建设影响的鱼类都属于过鱼对象。经查阅相关资料，大藤峡水利枢纽工程建设后所影响的主要鱼类：洄游鱼类主要为在江河和海洋之间生活繁育的花鳗鲡、鳗鲡；半洄游鱼类主要为四大家鱼等。查阅南木江的相关资料，花鳗鲡、鳗鲡、赤眼鳟、鳡、鳤、四大家鱼等是主要分布的鱼类，其中花鳗鲡、鳗鲡常在春季洄游，而四大家鱼的繁殖期主要在春夏季，因此，本工程的重点过鱼季节为春夏季；但从上述分析可以看出，各种鱼类均有全年游转的特性，因此南木江副坝需具备全年过鱼条件。南木江副坝过鱼设施方案比选前文提到，目前国内建设的过鱼设施种类包括仿生态鱼道、工程鱼道、鱼闸、升鱼机、集鱼船等 种。对比以上 种过鱼设施，由于大藤峡水利枢纽工程运行水位较低，过鱼设施建设场地较为充裕，考虑到仿生态鱼道和工程鱼道比较适合该建设条件，过鱼效果较稳定，运行费用较低，因此，本研究优先考虑这 种过鱼设施。其他 种过鱼设施较适合于中、高水头的大坝，具有不能连续过鱼、过鱼量不大、运行维护和管理费用较高、工程难度大等不利因素，因此，本研究暂不考虑。由于南木江所在河段地势较缓、河道较长，而仿生态鱼道的布置正需要较缓的坡度和较长的长度，对比仿生态鱼道和工程鱼道可知，南木江副坝处建设仿生态鱼道更为适宜。但由于副坝主体是土石坝，为不过水坝，因此，需要在左岸重力坝坝段设置过鱼的翻坝设施。由于鱼道需全年过鱼，要考虑水库正常蓄水位（）和汛期汛限水位（）之间 的水位差，因此，仿生态鱼道出鱼口的设置相对比较困难，需采用工程鱼道进行翻坝，下游与仿生态鱼道衔接。综上所述，根据南木江副坝上、下游地形条件以及南木江水流流态情况，南木江过鱼设施适宜采用坝轴线处的工程鱼道及坝下仿生态鱼道相结合的形式，并以仿生态鱼道为主体，工程鱼道主要用于翻坝。汛期与非汛期期间，洄游鱼类可先通过仿生态鱼道抵达南木江副坝下游，再通过工程鱼道进入上游水库内。南木江生态鱼道结构规划 南木江生态鱼道布置南木江是黔江的天然分洪河道，在不发生洪水时，从弩滩开始，至金龙村段，河水流向黔江；从金龙村至江口儿村，河水水位平稳，鲜见流动；从江口儿村至屈甲村，河水流入大湟江后注入浔江。南木江副坝位于南木江河口处，副坝右岸上游侧多为滩地，地势较低，且紧靠船闸上引航道口门区，不利于布置出鱼口；而左岸上游侧地势较高，有利于过鱼建筑物的库内段布置，并且出鱼口远离船闸上引航道口门区，鱼类出入库区不受过往船只干扰。为满足过鱼设施运行条件，南木江副坝过鱼设施宜布置在左岸。大藤峡水利枢纽水库汛期运行水位为 ，非汛期最高运行水位为 ，上游运行水位差较大，且由于南木江左岸上游地势较高，若全部采用仿生态鱼道，过鱼通道布置所需空间较大，同时需对上游山体进行大范围的开挖，工程量巨大；而工程鱼道所需布置空间较仿生态鱼道的相对较小，相应工程量亦比仿生态鱼道的少。同时，为满足南木江生态用水及过鱼要求，需要通过回填抬高河床以达到适应的水流速度，并通过堆砌石块形成漫滩，以达到仿天然河流的效果。生态鱼道的总生态鱼道沿原南木江布置延伸，向上游分出 条分支，分别与非汛期鱼道（工程鱼道）、汛期鱼道（生态灌溉渠道）相连。南木江生态鱼道总平面布置见图。鱼道流速设计依据 水利水电工程鱼道设计导则有关条文，鱼道设计流速可取主要过鱼对象的极限流速，同时应根据过鱼对象的特性，兼顾考虑过鱼对象的喜好流速。极限流速计算公式如式（）所示：第 期陈立宁，李郁新：大藤峡水利枢纽工程南木江生态鱼道规划浅析图 南木江生态鱼道总平面布置图 （）式中：为极限流速，；为鱼类体长，。据观察统计，副坝坝后的主要鱼类体长约为，由式（）计算得出极限流速为 。综合考虑大藤峡评价区主要鱼类的特性，鱼道设计流速采用 。工程鱼道 鱼道进出口大藤峡水库正常蓄水位为 ，汛期限制水位及死水位为 ，水库为日调节水库。受防洪、发电调度要求的影响，水库在汛期和非汛期的运行水位变化较大，汛期 月水库运行水位为 ，非汛期水库运行水位为 ，可见，水库运行水位在 之间。根据发电调度运行情况分析，月出现运行水位大于、同时小于 的概率仅为 左右。为满足 月过鱼要求，分别在水位 、处各设置 个出鱼口。其中水位 、对应的 个出鱼口布置于南木江工程鱼道上，出鱼口形式与主坝相应水位出鱼口的一致，鱼道向库内延伸。汛期水库水位为 时通过生态泄水设施过鱼。工程鱼道出鱼口平面布置见图。图 工程鱼道出鱼口平面布置图 生态泄水设施采用 条坝下涵管，底板高程为。在利用生态泄水设施过鱼时，设施内水流流态为无压流，满足过鱼要求。南木江工程鱼道在坝下游伸展迂回后与南木江仿生态鱼道相接，进鱼口底高程为 ，进鱼口水位取决于鱼道水深。工程鱼道进鱼口平面布置见图。红水河第 卷图 工程鱼道进鱼口平面布置图 本文研究的主要过鱼季节为春夏季（月）。春夏季正好涵盖汛期蓄水水位和非汛期蓄水水位，因此南木江副坝上游的水位变化差异较明显，需设置汛期、非汛期出鱼口（各 个），同时结合生态泄水建筑物，既可以满足春夏季过鱼的需求，也可以满足全年过鱼的需求。因大藤峡水利枢纽工程南木江鱼道能具备全年过鱼的条件，且在非汛期时水库水位较高，副坝左岸上游处水流平稳，通过采取诱鱼措施，可满足鱼类下行需求。主要参数竖缝宽度及淹没孔口尺寸一般依据过鱼对象的大小决定。从该工程下游长洲水利枢纽鱼道的过鱼情况来看，有大型鱼类（鳡鱼，体长 左右）通过。经综合考虑，竖缝宽度取 ，淹没孔口尺寸取 。鱼道净宽的规划通常需要考虑过鱼鱼类的个体体形，以及过鱼频率、总体量等主要因素。一般来说，过鱼鱼类的个体体形和过鱼的总数量较大，鱼道净宽设置也应当偏大，且鱼道净宽一般不宜小于主要过鱼对象体长的 倍。经查阅相关资料后综合考虑，鱼道净宽取 。鱼道池室长度与水流的消能效果和鱼类的休息条件有直接影响，因此，较长的池室，水流条件较好，消能效果较好，能为鱼类提供一个较好的休息条件，对过鱼起到更有利的作用。池室长度一般取鱼道净宽的 倍。经查阅相关资料后综合考虑，鱼道池室长度取 。鱼道水深与过鱼鱼类的习性密切相关，体形较大的鱼类和水域中底层的鱼类对鱼道水深要求较高。同时根据设计规范要求，对于体长超过 的鱼类，最小池室深度应大于过鱼体长的 倍。经查阅相关资料并综合考虑过鱼要求、水库水位和进出鱼口设置，该工程鱼道水深取 ，该鱼道最大设计水位差取 （上游水位 ，下游水位 ）。典型断面根据上述计算成果，工程鱼道标准槽身的典型断面见图。图 工程鱼道标准槽身的典型断面图 仿生态鱼道仿生态鱼道设计标准参照南木江两岸堤防设计标准，按 年一遇洪水设计。由于南木江副坝建成后南木江已不作为黔江的分洪通道，故南木江内洪水主要来自汛期两岸的天然汇流。依据水文资料，南木江副坝至其下游 范围内 年一遇设计洪水量为 ，南木江副坝下游 范围内 年一遇设计洪水量为 。为满足南木江生态及过鱼要求，需将紫荆河与南木江汇合口处地势较高的河段进行开挖疏通。依据南木江河床整体走势及过鱼水深要求，开挖疏通高程取 。为保证南木江水流的连续性及足够的过鱼水深，在疏通上述河段的同时，需将南木江副坝下游 河段（约至牛角村）填渣束窄，堆砌石滩，构筑成仿生态鱼道。仿生态鱼道坡比为，底高程由 降至 。为满足过鱼水深要求，同时为降低近自然河道两岸填筑高度，避免由于区间汇流使得南木江内水位过高，影响两岸村庄，仿生态鱼道采用“主槽漫滩”的复式断面。鱼道净宽一般不宜小于主要过鱼对象体长的 倍，最小水深应大于过鱼体长的 倍，经综合考虑，仿生态鱼道主槽断面底宽，总深度为 ，两侧边坡坡比均为 ，漫滩宽度跟随地势平顺布置，分别与两侧坡比为的边坡相接。汛期时两岸汇集的洪水漫过主槽，在整个仿生态鱼道内形成较大的水面。通过铺设砾石、块石以及种植水生植物等措施加大仿生态鱼道内通道的综合糙率。仿生态鱼道的典型断面见图。鱼道辅助设施 诱鱼设备为了提高进鱼效果，可以采用声光诱鱼方式，即 第 期陈立宁，李郁新：大藤峡水利枢纽工程南木江生态鱼道规划浅析图 仿生态鱼道典型断面图在鱼道进、出口位置设置喷洒水管网，借助水花对水面的扰动，以及喷洒系统的水声进行诱鱼；鱼道进口边墙上架设灯光，晚上开启以引诱鱼。导鱼设施导鱼设施采用导鱼电栅，考虑运行维护成本和主要过鱼季节，每年的 月开启导鱼电栅，将鱼诱导至进鱼口附近，通过鱼道洄游。观测室鱼道观测室用以观测过鱼效果，掌握过鱼规律和水流规律。观测室内配备摄像头、录像机等监测设备，用于过鱼效果监测。工程鱼道的观测室利用鱼道休息池设置，房屋建筑采用混凝土结构；仿生态鱼道的观测室则在外墙敷设浆砌卵石，使其与仿生态的要求相符合。观测室临水侧设置面积较大的窗户用于观测鱼道内的过鱼情况，根据黔江河道的水体水质，在观测部位应采取导流板束窄水体（保持 左右的距离），将通过的鱼类引导至观测窗口前以便观测统计。鱼道观测室需满足照明、通风、防潮、绝缘等要求，通过记录观测不同时段的过鱼数量、种类、体长、水位差、流速、水温、气温、流量等参数数据，以便进一步指导调整鱼道运行方式。结语 结论南木江作为一条天然的河道，具有先天的过鱼优势，本次研究围绕南木江和南木江副坝的特点，推翻了常规的单一过鱼设施建设方式，不考虑进行回填重建，而是以改造利用的方式建设一条“工程鱼道仿生态鱼道”的南木江生态鱼道，与黔江工程鱼道相结合，形成具有大藤峡特色的“双鱼道”模式。经计算，南木江生态鱼道流速按 设计。其中，工程鱼道池室长 ，鱼道净宽 ，设计水深 ，工程鱼道总长 ；仿生态鱼道坡比为，底高程由 降至 ，主槽底宽 ，总深度为 ，仿生态鱼道总长 。该方案通过 条鱼道和生态放水口，可以同时满足生态敏感期 、非生态敏感期 的生态流量下泄要求，较适用于南木江影响区的主要过鱼对象洄游。展望过鱼设施建设的目的是维系鱼类种群的繁衍，而不是使所有鱼都能通过鱼道。不同的鱼类洄游需要不同的鱼道，有的喜欢急流，有的喜欢缓流，有的喜欢深水，有的喜欢浅水，有的喜欢温水，有的喜欢冷水，等等。在国内的水利工程中，为了提高过鱼效果，也常利用鱼的习性对其进行诱导，常用的诱鱼方式有采用声光系统，也有通过食物、气味诱导，甚至通过人工、机械干涉等，吸引更多的鱼类通过鱼道。但是，目前世界各国的过鱼设施的过鱼比例都比较小，还需要通过不断研究尝试，切实降低水利工程对鱼类洄游的影响程度。后续研究可以包括以下内容：）加强对过鱼设施过鱼效果的研究，包括对已建过鱼设施的改建和新建过鱼设施的布置，以及诱鱼措施的改进。）开展不同水头，包括中低坝、高坝过鱼策略以及关键技术问题的研究。）针对鱼类保护工作开展水工建筑物水力特性的研究，例如开展对水生态友好的水轮机等新型机电设备的研究。）开展鱼类生存条件改善措施的研究，例如减少大坝泄洪在下游河道产生的溶解氧，以减少对鱼类生存的影响等。参考文献：刘志雄，周赤，黄明海鱼道应用现状和研究进展长江科学院院报，（）：陈良，范穗兴生态鱼道在大藤峡水利枢纽工程中的优化应用 中国大坝工程学会水库大坝和水电站建设与运行管理新进展北京：中国水利水电出版社，：栾丽，彭艳，何涛，等不同类型过鱼设施特点及适应性研究水力发电，（）：，李洋洋，苏慧，张游，等水利水电工程鱼道设计方法简析治淮，（）：陈松滨，陈共建大藤峡水利枢纽工程南木江鱼道优化设计报告广州：中水珠江规划勘测设计有限公司，（责任编辑 秦凤荣）